(57)【要約】      （修正有）【課題】  走行中の自転車を停車させる時の運動エネルギーを、圧縮空気の形に変換して回収し、必要の都度これを動力源として再活用できる動力アシスト自転車の提供。【解決手段】  走行中の数多くのブレーキ操作で、その都度回収エネルギーを圧縮空気としてタンクに蓄積し、必要時動力源として使用することにより、走行可能距離の延長をはかる。  更にこれを増加するには、充気済タンク或いは高圧ガス発生装置の併用も可能である。使用される源動機はポンプとエンジンの２動作兼用型が必要であり、これに適用する回転機、多機能クラッチ、動作切換弁および、これらの統合システ厶が開発された。【選択図】  図１０
2005035502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タイヤに伝導された原動機をガスポンプとして動作させ、走行中の自転車と運転者双方が有する運動エネルギーを制動操作時に圧縮空気の形で回収保存しておき、必要の都度、上記原動機をガスエンジン動作に切り換え、蓄積された圧縮空気を走行エネルギー源に再活用する方式の動力アシスト自転車。
【請求項２】
固定された円筒状ケースの中に、これと回転軸を同一とし、この内径寸法より充分小さな直径を有し、かつ軸方向長はケースと同一で、板状ピストンと押バネを内装した溝を半径方向に設けて、中心軸にシャフトを固定した円柱状ローターを設置し、ケース端面に２枚の側面板を固定して、前記シャフトが当該側面坂を貫通する構造とする一方、一辺の長さがローターの軸方向長と同一の長方形薄板即ち、回転矯正板を軸の半径方向に対し、特定の曲率で半円形に曲げ、これをローター外面とケース内面に形成された半月状空隙に挿入する。このときこの回転矯正板は、軸に平行な２等分線がローター表面に線接触し、かつ２辺の端部がケース内面の最大径附近の表面に軸と平行に線接触するように配置され、以上の３線接触の効果により回転矯正板は強固に固定することなく安定にその位置を保持するように配置し、前記板状ピストンの擦動作用が回転矯正板の曲率にしたがって、強制的に案内されるようにする。
このときケース内面と回転矯正板で仕切られた半月状空隙の中心位置に、内部に押バネを内蔵し、この押バネで回転矯正板中心部をローター表面に押し付けるように構成された角柱状部品を軸に平行にケース内面に固定する。
前記半月状空隙の中心部の角柱状部品で仕切られたそれぞれ２室の空間を予圧室と成し、２室相互の圧力差に基づく高圧ガスの漏洩と回転矯正板の自転を防ぐ目的で、角柱状部品の双方の側面を挟み、前記予圧室に圧力差を生じたとき、気密に圧着するよう構成した２枚の圧力遮断板を回転矯正板に軸と平行にそれぞれ気密を保つように固定する。
一方、ローター表面、ケース内面、板状ピストンおよび回転矯正板で囲まれた空間即ちチャンバーがローターの回転につれ、その体積を増減させる効果を利用するため前記予圧室からチャンバーへの通気孔を設け、さらにシャフトに対し、半径方向にケースを貫通して設けるか、又はシャフトと平行に側面板に貫通して設けるか、或いはこの混合方式を採るかの何れかの方式で、予圧室より空気パイプをそれぞれ導出するよう構成し、一方の空気パイプから高圧ガスを圧入し、他方の空気パイプから排出させればエンジン動作となって回転力を発生し、逆にシャフトを外力で回転させれば一方の空気パイプから圧縮空気が圧出され、他方のパイプから空気が吸引されるポンプ動作が得られる２種類の機能を有し、正転逆転自在で、原理的に液体でも使用できる特徴を有する。上記のごとき構成のポンプ、エンジン２動作回転機。
【請求項３】
固定台を貫通して設けられたシャフトを貫通し、互の端面を接し軸と平行な滑動軸を共有するように構成された２個の円盤状回転子の一方に、滑動軸の一端を固定すると共にシャフトに締着し、他方の円板状回転子には軸の半径方向にピンを突出させ、このピン付き回転子に回転力を与えつつシャフト方向に自在に滑動できるよう、当該ピン付き回転子のスカート部分を一周する円周溝を設け、コントロールワイヤーに直結したフォークを円周溝に嵌合せしめ、前記ピン付き回転子がコントロールワイヤーの伸縮操作で軸方向に移動できるよう構成した構造物を、原動機から負荷への回転力伝達経路の能動側として動作させるため、当該シャフトに原動機を連結する一方、回転力受動側として、前記能動側構造物と回転軸は共有するか能動側シャフトとは遊動する構造の、中空円盤状ケースを能動側構造物に外装し、この頭部の回転軸中心位置にスプロケット或いは、歯車等の回転力伝導部品を固定し負荷を駆動する構成とする。
このケースの内面に前記ピン付き回転子のピンが接触し、拘束される位置に突起物を配し、拘束時回転子の回転力が受動側に直接伝達する直結動作と、ピンの作用する半径方向に押バネで蓄積され、かつその一端を軸方向と平行な支点軸で回転できるようにしたカムを前記突起物の位置よりも若干軸方向にずらしてケース内面に固定し、押バネの蓄勢力に抗して、カムを跳ね上げる回転方向では、回転力を伝達できずクラッチ断の状態となり、これを反対方向の回転では、カ厶が拘束される結果、能動側の回転力がそのまま受動側に伝達されるような回転方向選択性効果、換言すれば相対的にみて能動側の回転速度が受動側の回転速度より早い場合のみ負荷に回転力を伝達できるオーバーランニング動作と、軸方向に更にずらすことによって、前記回転子のピンが何物にも拘束されず空転し、クラッチ断の状態になるフリー動作の計３種類の機能をコントロールワイヤーの伸縮動作で外部から自在に遠隔制御できるよう上記のごとく構成された多機能クラッチ。
【請求項４】
自転車の運転ハンドルに、スロットルワイヤーを伸縮させるためのスロットルグリップ或いはスロットルレバーを設け、既設のブレーキワイヤーと共にこの２種類のワイヤーのみで総合的操作機能を得る目的で、ポンプ、エンジン兼用原動機、これに連結され直結動作、オーバーランニング動作、フリー動作の３動作をコントロールワイヤーで遠隔操作できる多機能クラッチ等について、運転中の安全を期するため、状況に応じて最小操作でその機能を組み合わせて選択できるよう構成する。即ち、このシステム化の基本として通常のペダル走行においては、原動機をエンジン動作に、多機能クラッチをフリー動作にし、動力アシスト走行の場合は、原動機をエンジン動作、多機能クラッチをオーバーランニング動作とし、ペダル走行系の回転数が補助動力系の回転数より大きければ原動機よりの回転力伝達を自動的に停止するオーバーランニングモードを選択して原動機がペダル走行時の余分な負荷となる不具合を解消し、軽ブレーキ即ちエンジンブレーキモードで制動時運動エネルギーを回収する場合は、動力アシスト走行中、或いはペダル走行中であってもこれに優先して積極的に原動機をポンプ動作に切り換えると共に、多機能クラッチも直結動作に移行させ、停車に伴う強力ブレーキの際は上記の如何なるモードより、優先して操作できるよう配慮され、上記の如き動作の組み合わせで構成された、タイヤに伝導された原動機をガスポンプとして動作させ、走行中、自転車と運転者双方に発生する運動エネルギーを制動操作時圧縮空気の形で回収保存し必要の都度走行エネルギーに再活用する動力アシスト自転車の走行システム。
【請求項５】
頭頂部の回転半径がボス部の回転半径より大きい傘型回転台の回転面に、その回転軸の半径方向に放射状にピン状突起物を固定して傘型ピン歯車を構成し、スポーク型タイヤのリム内径表面に等間隔に配列されたニップル或いはニップルとスポークの結合部附近に前述傘型ピン歯車で回転力を伝達させタイヤを駆動するよう構成され、従来の足踏力による駆動力伝達系に補助動力を外挿することによって、自転車の駆動力伝達機構を変更改造することなく、これに補助動力を適用できる動力アシスト自転車の構成法。
【請求項６】
ペダルとペダルスプロケットの間の回転力伝達経路にオーバーランニングクラッチ或いはラチェットホイール等の一方向回転型伝導装置を介在させ、ペダルスプロケットと後輪車軸に直結された後輪駆動スプロットをチェーンで連結することによって、通常のペダル走行と支障なく、慣性走行においても不具合を生じないよう構成された上記回転力伝導機構において、チェーンの一部に挿入設置された小型スプロケットで原動機からの回転力を伝え、逆にタイヤからの駆動力を原動機に伝達するよう構成された動力アシスト自転車のタイヤ駆動力伝達方式。
【請求項７】
タイヤに伝導された原動機をガスポンプとして動作させ、走行中の自転車と運転者双方の有する運動エネルギーを、制動操作時圧縮空気の形で回収保存しておき、必要の都度、上記原動機をガスエンジン動作に切り換え、蓄積された圧縮空気を走行エネルギー源に再活用して駆動力を得る動力アシスト走行方式に於いて、その走行可能距離を延長する目的で、充気済高圧タンクを主タンクとは別に付加出切ることを特徴とする動力アシスト自転車。
【請求項８】
タイヤに伝導された原動機をガスポンプとして動作させ、走行中の自転車と運転者双方が有する運動エネルギーを制動操作時に圧縮空気の形で回収保持しておき、必要の都度上記原動機をガスエンジン動作に切り換え、蓄積された圧縮空気を走行エネルギー源に再活用する動力アシスト走行方式に於いて、その走行可能距離を大幅に延長する目的で、主空気タンクと並列に水蒸気、炭酸ガス、窒素ガス等の非燃焼性高圧ガス発生装置を設けた動力アシスト自転車。
【請求項９】
タイヤに伝導された原動機をガスポンプとして動作させ、走行時、自転車と運転者双方の有する運動エネルギーを制動操作時、圧縮空気の形で回収保存する際、事体を成す中空フレーム構造を空気タンクの主体或いは空気タンクの一部として使用し、必要の都度、上記原動機をガスエンジン動作に切り換え、蓄積された圧縮空気を走行エネルギー源として再活用する動力アシスト自転車。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】本発明は自転車の補助動力システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】従来、補助動力自転車としては、電動アシスト自転車がある。これは、足踏力の補助回転力として直流電動機、歯車減速機等を組み合わせたシステムである。エネルギー源としては充電可能な２次電池が使用されている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】従来、動力アシスト自転車に不可欠な、電動機、２次電池を用いたシステムではそれ等の重量増加、電動機搭載に伴う車体構造の変更、２次電池の搭載等による重量増加構造の複雑化、搭載機器の外力からの保護、２次電池の充放電管理等、汎用自転車と比較して取り扱いが厄介であり、その利便性に問題が残る。
元来、自転車は、所謂“乗りっぱなし”でも壊れないものであり、この軽便性が自転車の命といえよう。従って、本発明の課題は（Ａ）電動機以外の原動力で（Ｂ）自転車本来の軽便性を失うことなく（Ｃ）現在使用中の汎用自転車にも容易に適用でき、動力アシスト化が可能である等であって、各項の技術的解決が要求される訳である。
これ等が解決できれば理想的動力アシスト自転車が出現し、将来の自転車の基本構造、或いは自転車ライフに革命的な変革をもたらし得るものである事は疑いの余地がない。
【課題を解決しようとする手段】
【０００４】質量ｍの物体が早さｖで動くと（１／２）ｍｖ２の運動エネルギーが発生する。これは運動力学に示された基本的法則である。現在進行中の自転車と運転者も当然、この値の運動エネルギーを有していることになる。走行中の自転車の停車させることは現時点で有している運動エネルギーを零することに等しい。
走行中の自転車と運転者の運動エネルギーを零にする安全手段はブレーキ操作以外に無い。ブレーキ操作で自転車を減速、停止できるのは、ブレーキシュー（パッド）とリムとの摩擦で運動エネルギーを熱エネルギーに変換し、熱の形で大気中に放散消費させているからである。しかし、この種の熱エネルギーは最も低級なエネルギーであって、回収不能な運動エネルギーといえる。本発明では運動エネルギーがこのような無効エネルギーに変化してしまう以前の段階で他の転用可能な形の有効エネルギーに変換出来ないかと考えた。この目的に適したエネルギーは圧縮空気である。即ちブレーキ操作を行う度に、タイヤ回転力で圧縮空気ポンプを回転させるのである。無効運動エネルギーを回収して活用可能なエネルギーに変換された圧縮空気は空気タンクに充填し保存される。自転車走行に補助動力が必要になれば、前述の圧縮空気ポンプを、今度は圧縮空気エンジンとして作動させ、空気タンク中に貯えられた圧縮空気を、走行エネルギー源として活用するのである。
このようにすれば、電動機を使用せずに無電源の動力アシスト自転車を構成できる。
ブレーキシューがリムに強く接触して減速、停車させる通常の自転車のブレーキ操作と異なり、本方式の場合はブレーキシューが作動始める以前の段階でポンプの回転が開始されるよう調整されるべきである。即ち、自転車にみられるような一種のエンジンブレーキのモードを設けるのである。当然、従来の自転車ではこのモードは全く持っていない。このようにすると、長い下り坂等で圧縮空気の回収率が向上すると共に、ブレーキシューの故障防止に効果がある。
具体的には、ブレーキレバーを軽く握ればエンジンブレーキモードとなり、強く握れば通常のブレーキモードになるようにシステムを設定すれば良く、従来の自転車との違和感はほとんど無い。また、以上のブレーキ操作は走行中、数多くおこなわれるから、空気タンクはその都度充気され、蓄積エネルギーは増大していき、動力アシスト走行時の稼動可能時間が増加する。空気圧が過大になれば安全弁が作動するような圧力設定が行われる。ポンプとして使用した唯一の原動機は一種のロータリー機関であって、ポンプ動作とエンジン動作の双方に切り換えできる兼用型のものである。
以上の手段を実現するために解決すべき技術的項目は次のように集約されるので以後この順に従って説明を加えていくようにする。
（ａ）２動作回転機と周辺部品の開発
（ｂ）多機能クラッチの開発
（ｃ）実動上の総合システムの開発
（ｄ）スポークタイヤへの動力伝達方式の開発
（ｅ）自転車への搭載方式の検討
（ｆ）高圧ガス利用の検討
以後、図面を用いて各項につき詳述する。
【図１】
は回転機１の構造を示す断面図である。固定されたケース２とローター３の中心軸は同一位置にあり、シャフト４はローター３に固定されている。
ローター３には放射状に溝が設けてあり、板状ピストン５、６及び押バネ７、８が収納されている。板状のピストン５、６は気密を保ちながら溝の中を滑動でき押バネ７、８でケース２の内径表面に押し付けられ、気密を保ちながらローター３と一体となって回転する。ガイドプレート９はバネ鋼のごとき強靱な薄板で製作された半円形断面を有する成形板である。この役目はピストン５、６の擦動運動を円滑に行うための一種の回転運動矯正板であり、軽金属製ケース内面の局部摩擦を防ぐと共に静粛運転、気密保持等に効果がある新規構想の手法である。
ガイドプレート９は自己のバネ力と押バネ１９によって、その先端がケース２内面に接触しているのみで、その位置が維持されていて、僅かな遊動が可能である。このように強械的強固に固定されていない点に本方式の特徴がある。
この回転機１はローター３とケース２の回転軸は同一であるが、ピストン５、６はケース内面の形状に従って偏心力を受け、動揺する。ローター３の回転が早いと、偏心運動を開始する点のピストン５、６の動きは円滑でなくなり、衝動的になり易い。この状態では、ケース２内面の接触力が極めて強くなって表面が局部的に破壊されることがある。ガイドプレート９はその曲率を適当にすることによってピストン５、６の衝動的運動を強制的に修正し円滑化するものである。２０、２１の側面板はローター３、ピストン５、６及びガイドプレート９の運動を妨げずに、気密を保てるよう配慮されている。シャフト４は側面板２０、２１を貫通する。
シール板１６、１７はガイドプレート９上に固定された短冊形部材であって、押しバネ１９の運動を阻害することなくピラー１８の側面に面接触し、空気孔１５と１１の圧力差を遮断する役目をする。以上のごとく構成された回転機１は圧縮空気エンジンと圧縮空気ポンプとに兼用できるものである。
この回転機１は、２個の空気孔に対して、左右対称の構造を有しているので、エンジン動作でもポンプ動作でも、それぞれ２方向の回転方向を採ることができる。即ち、エンジン動作の場合は高圧側空気孔と低圧側空気孔を交換すれば逆転し、ポンプ動作の時は、それぞれ２方向の回転方向を採ることが出来る。
即ち、エンジン動作の場合は高圧側空気孔と低圧側空気孔を交換すれば逆転し、ポンプ動作の時は、回転方向を反対にすれば、高圧側と低圧側が逆転する。また、エンジン動作での高圧側は、ポンプ動作に切り換えて、回転方向を逆転させれば、ポンプ動作における高圧側となる。
回転機１を自転車に搭載した場合は、その進行方向は前進の一方向のみで逆進することはあり得ないから、動作モードとは無関係に回転機１の回転方向は常に一定不変である。従って、エンジン動作とポンプ動作の切り換えには回転機１に流入する空気の流れの方向を逆転すれば良いことになる。
この目的に適した動作切換弁の構造及び動作を
【図２】
で説明する。
【図２】
で動作切換弁４１は５箇所の空気孔を設けたシリンダー４７の中でスライダー４８を直線運動させ、スライダー４８に設けた空気通路５１、５２、５３が前記シリンダーの空気孔の位置に合致するように滑動させる構造である。この空気孔４３は
【図１】
の回転機１の空気孔１１に、空気孔４５は同じく空気孔１５にそれぞれ配管される。
この状態で
【図２】
、２−Ａポンプ動作時に示す位置にスライダー４８を合わせると
【図１】
、回転機１はポンプとして作動する。外部からの回転力でローター３を図示時計方向に回転させると、ピストンの回転に伴なう負圧のために空気は
【図２】
動作切換率４１の空気孔４４、空気通路５２、空気孔４８および配管を経由し、空気孔１１、１３から吸引される。ローター３が約１８０度回転すると、吸入された空気圧は今度はピストン５で圧縮され、空気孔１２、予圧室１４、空気孔１０及び配管を経由後、空気孔４５に到り、空気通路５３を通って高圧空気排出孔４６から排出される。この時、予圧室１４は圧縮空気で充満されるからシール板１６はピラー１８の側面に強く押し付けられ、気密を保つように働く。
通常、ポンプ動作では高圧空気排出孔４６をタンクに連結するのみで良いが、自転車搭載の場合はローター３が出力側の高圧空気の圧力で逆転されてしまう不具合を避けるために、通常逆止弁を通じて圧縮空気を得るのが得策である。
【図４】
はこの用途に適した逆止安全弁の構造を示す動作説明図である。ボール６６は押バネ６７で弁座６８に押し付けられているので、圧縮空気が空気排出孔６４から空気導入孔６３へ通り抜けることはできない。圧縮空気導入孔６３から流入した圧縮空気は押バネ６７に抗してボール６６を弁座６８から押上げ、空気排出孔６４から流出できる。また同時に、空気通路６９に分流した圧縮空気は押バネ７２に坑してボール７０を弁座７１から押上げ、空気放出孔６５から大気中に放出される。このように逆止安全弁６２は逆止弁と安全弁の双方の機能を有するもので、極めて実用的である。安全弁の設定圧力は圧力調整ネジ７３で押バネ７２の加圧力を調節することで行う。空気タンク等、すべての高圧ガス系は、この安全弁で管理でき、実用的安全性が向上する。
次に
【図２】
、２−Ｂエンジン動作時の位置にスライダー４８を設定すると、回転機イはエンジンとして動作するようになる。空気タンクに充気されていた圧縮空気は動作切換弁４１の高圧空気導入孔４０から流入し、空気通路５１、空気孔４３を経て
【図１】
回転機１の空気孔１１から進入する。圧縮空気は予圧室１５に充満し、僅かに遊動可能なシール板１７をピラー１８の側面に押し付け、圧縮空気が常圧の予圧室１４に通り抜けるのを防止する。ガイドプレート９の空気孔１３を通過した圧縮空気はピストン６に圧力を与え、シャフト４に図示時計方向の回転力を与える。即ち、この回転方向は前記ポンプ動作の場合と同一であるから、自転車進行方向と回転機相互の運動方向に関し矛盾は生じない。
この時、ピストン６が空気孔１５で塞ぐ位置に停止していたと仮定すると、ピストン６は回転できず、動作上の死点を生じてしまうことになるが、ガイドプレート９を用いた本件回転機では予圧室１５の圧力効果でガイドプレート９の弾性力で接触していたその先端部とケース２との接触部が押し開けられ、ここを逸脱した圧縮空気が先行しているピストン５を加圧するから、ローター３は回転し、死点発生を回避できる。
ガイドプレート９の採用はこのようにピストン５、６の円滑な運動を強制する矯正板であるのみならず、局部摩擦の防止、静粛運転の実行、気密保持、および死点発生の消去等に効果のあるものである。
本件の動力アシスト自転車を道路走行する際、必要となるスピードの調節は
【図３】
の５４スロットルバルブで行う。
【図３】
は、スロットルバルブ５４の構造を示す動作説明図である。ここで、高圧空気孔５６は
【図２】
の高圧空気導入孔４２に、
【図３】
の高圧空気孔５５は空気タンクに接続する。このように配管すると
【図１】
回転機１への圧縮空気はずべてスロットルバルブ５４を通過することになる。
【図３】
でシリンダー５７とスライダー５８の相対位置を滑動させると回転機１に供給される圧縮空気量は無段階に変化する。３−Ａ高速回転時の位置では圧縮空気量最大で回転力は最大となる。３−Ｂ低速時の位置では空気通路６１の見掛上断面積が小さくなり回転力は比較的小となる。３−Ｃ停止時では圧縮空気は流れず、回転機１は停止する。従ってスロットルワイヤー６０をハンドル上のスロットルに調整器まで延長すれば、運転中に車速を無段階に制御できる。
動力アシスト自転車のタイヤ駆動回転力の伝達経路は当然２通りの系がある。ペダルによるものと、補助動力によるものである。双方とも、回転力を伝えるべき目標となる負荷はタイヤであって全く同一である。従って、上記２種類の回転系はどこかで１点に交わっているはずである。この交点におけるペダル側動力の回転数をＮ２とし、補助動力側の回転数をＮ１とする。
交点で双方の回転力を直結してしまうと、
【図２】
２−Ｂエンジン動作の場合、Ｎ１＜Ｎ２の時は、補助動力用回転機１はペダルの足踏力で強制的に回転されてしまうから、走行と上無駄な負荷となり、不都合である。
Ｎ１＞Ｎ２の時は回転機１の回転力でタイヤが回転されて足踏力は効果がない。しかし、この時ペダル系の動力伝達機構の一部にラチェット機構のような一方向性の機能を備えていないとペダルが振り回されることになるので、不都合である。Ｎ１＝Ｎ２ならば動作上の矛盾はなく、好都合であるが走行中この条件を満足できることは一般にあり得ない。以上、Ｎｌ≠Ｎ２に起因する不具合は一方向回転クラッチ、即ち、オーバーランニングクラッチを使用すれば解決できる。即ち、前記２系統の動力交点は直結するのではなく、オーバーランニングクラッチで連結するのである。
オーバーランニングクラッチの動作を相対的にみれば、Ｎ１＜Ｎ２になった瞬間、動力の伝達を断つ性質のクラッチであり、この性質を用いると、動力伝達系の問題は容易に解決される。その上、好都合な事に回転機１の特性は電動機と異なり、負荷の大小によってその回転数が変動し、即ち負荷が軽ければこれに反比例して回転数が増加する特性を持っているため、Ｎ２増大はＮ１系の負荷が軽くなったことを意味するから、Ｎ２の増大に追従するようにＮ１も増大し、あたかもＮ１＝Ｎ２となるように反応する。この性質は実用的に非常に扱い易く有効である。
オーバーランニングクラッチの具体的構造は
【図６】
で後述する。
【図６】
は多機能クラッチ２２の断面構造を示す動作説明図である。
【図６】
において、シャフト２３は固定板３４を貫通しボディー３１とは、伝導具取付台３０の部分で遊動する。アクティブリング２４は、止めネジ３９でシャフト２３に締着され、ポール２５はシャフト２３と平行に植込まれている。
ドライブリング２６はシャフト２３と遊動し、２６に偏心して設けた貫通孔にポール２５を滑動させる方法でアクティブリング２４からの回転力を伝達する。ドライブリング２６には円周溝２８が設けられ、ここにフォーク３５が嵌合されている。フォーク３５は、コントロールワイヤー３６によって軸方向に移動できる。ドライブリング３６を移動することによって、この半径方向に植えられたドライブピン２７の位置が変化する。ドライブピン２７が作用する相手側は受動ピン３３、カム２８及び自由位置の３箇所である。従って、この多機能クラッチ２２は３種類の動作モードを有していることになる。この詳細を次に示す。
【図６】
断面Ｄ−Ｄは、６−Ａフリー動作のモードを示すものである。ドライブピン２７は他に接触せず、自由に回転でき、クラッチ断の状態である。これは、動力アシストを断ち、通常のペダル走行をするためのモードである。
６−８オーバーランニング動作では、ドライブピン２７はカム２８に作用する位置に固定される。シャフト３２と、圧縮空気エンジンのシャフト４を連結し、シャフト３２と圧縮空気エンジンのシャフト４を連結し、シャフト３２の回転数をＮ１、足踏ペダル系主動力の回転数をＮ２とすると、Ｎ１＞Ｎ２ならば、ドライブピン２７はカム２８に作用し、これを支えているスタンドオフを押すから、ボディ３１、伝導具取付台３０は図示方向に回転する。この時ペダル系動力は空転し、駆動力になり得ない。
Ｎ１＜Ｎ２ならばカム２８はドライブピン２７を追越して回転するから、押バネ２９の圧力に抗してカム２８を跳ね上げる。即ち、この状態では、何れの方向にも回転力を伝達できず、クラッチ断の状態を現わす。従って、補助動力系は主動力系の無駄な負荷とならず、回転系に矛盾はない。
ただし、回転機１にポンプ動作をさせる時には、このモードは使用できない。ボディ３１が空転してタイヤの回転力がポンプに伝達できないからである。ポンプ動作の場合は
【図６】
６−Ｃ直結動作のモードを使用する。
ドライブピン２７はボディ３１に固定された受動ピン３３に直接作用するからポンプは、Ｎ２の回転数で回転し、動作上の矛盾はない。このように
【図６】
の多機能クラッチは、３通りのモードを有するもので本発明の実施は不可欠な装置である。
【図７】
は本発明の効果に最大に発揮せしめるためのシステムの構成図である。自転車のハンドルにはスロットルレバー（或いはグリップ）の新設が必要になるが、その他新しい装具或いは変更は不要である。
【図７】
で多機能クラッチ２２は
【図６】
６−Ａフリー動作の位置にあり、
【図２】
の動作切換弁４１は２−Ｂエンジン動作時の位置に
【図３】
のスロットルバルブ５４は３−Ｃ停止時の位置にある。即ち、これは回転機１を使わないペダル走行のモードであり、通常の自転車と同様な感覚で運転できる。
ここでスロットルワイヤー６０がハンドル上のスロットルレバーで引かれると、スロットルバルブ５４は空気タンク７０の圧縮空気の流量をコントロールしつつ回転機１に送る。
前述のごとく、すでにエンジン動作にセットされているから、回転機１は回転を始めるが、多機能クラッチ２２がフリーの位置にあるので、この回転力は空転してしまう。
この場合は、多機能クラッチ２２を６−Ｂオーバーランニング動作に切り替える操作が必要となる。
運転中繁雑な操作を行うことは困難であり、危険も伴う。従って、これ等操作の最適組合せモードを自動的に選択できるよう装置全体のシステム化が必要となる。以上の場合と同様に、ブレーキワイヤが引かれた時を考えると、本発明の主旨で、空気ポンプを回さなければならないので、動作切換弁４１は２−Ａポンプ動作に、多機能クラッチ２２は６−Ｃ直結動作にしなければならない。本発明では各装置の動作位置の変更設定のタイミングを連係して自動操作するため、
【図６】
のタイミング調整クランク７６を設け、一括して制御できるようにした。
【図７】
において、スロットル用タイミング調整クランク７６のホルダー８１にスロットルワイヤー６０を固定する。しかし、コントロールワイヤー３６は
【図５】
のワイヤー孔７９を長く通り抜けているのみで固定されておらず、自由に滑動できる。この状態でスロットルワイヤーが引かれると、スタンドオフ７８が支点となって、力の方向が逆転し、コントロールワイヤー３６上に固定されたストッパー８６がホルダー８２に押され、コントロールワイヤー３６が
【図６】
６−Ｂオーバーランニング動作の位置まで押し込む。
このようにすると回転機１のエンジン動作時の回転力を利用できる。次にブレーキワイヤー８８が引かれた場合を想定すれば、
【図５】
のホルダー８１のワイヤー孔７７に固定されたブレーキワイヤー７８が図示方向に引かれると、スタンドオフ７８が支点となって、コントロールワイヤー５０が押され、動作切換弁４１を
【図２】
２−Ａポンプ動作時の位置まで押し込む。
一方、コントロールワイヤー３６は
【図５】
のホルダー８３のワイヤー孔８０を貫通し、固定されておらず自由に滑動できるようにしてある。この時、コントロールワイヤー３６に固定されたストッパー８７はホルダー８３に押され、コントロールワイヤー３６は多機能クラッチ２２を
【図６】
６−Ｃ直結動作の位置にまで大きく移動させる。
ここでストッパー８６、８７の動作を考えてみよう。
【図６】
の多機能クラッチ２２の構造では、フォーク３５の移動距離は６−Ｃ直結動作時のモードで最大になるのが判る。従って、回転機１をポンプ動作させる時のストッパー８７の移動ストロークは、エンジン動作に要するストッパー８６のストロークより当然大きい。
ストッパー８７が最大ストロークで移動すると、同じコントロールワイヤー３６上に固定されているストッパー８６も等量のストロークで大きく変位し、同時にコントロールワイヤー３６もワイヤー孔８０を滑動し抜け出る方向に移動する。
この状態ではスロットルワイヤ６０が移動しエンジン動作に切り替えようとしてもストローク不足でホルダー８２は最大変位したストッパー８６に接触できないので、切換え不可能である。即ち、このシステムは回転機１のポンプ動作、換言すれば運動エネルギー回収動作、叉はエンジンブレーキモードがすべて他のモードに優先する方式であり、本発明の主旨に則したものである。
危険回避、停車等で更に強力なブレーキが必要となれば、ブレーキレバーを強く握り、ブレーキシューをリムに作動させる通常のブレーキ操作を行えば良い。実際は、この時に誤動作しないよう、一種のエスケープ桟構を設けてあるが、繁雑になるので図面では省略した。
以上、本システムの各部連係動作を要約すれば次の通りである。
（イ）スロットルワイヤー６０およびブレーキワイヤー８８の何れも作用動作していなければフリー走行モードであり、通常の自転車と変わらないペダル走行ができる。
（ロ）エンジンモード即ち動力アシスト走行への切換えはスロットルワイヤー６０に連動して、ペダル走行中は常時可能であるが、ブレーキワイヤー８８が作動している期間は切換え出来ない。
（ハ）ポンプ動作モード即ちエネルギー回収走行への切換えは、ブレーキワイヤー８８に連動し、常時他の動作に関係なく実行できる。
（ニ）ブレーキ操作が他の全ての操作に優先する。
（ホ）ブレーシューとリムの摩擦による一般の強力ブレーキ操作はポンプ動作モードに優先して実行できる。
以上のごとく本発明の有用性を発揮できるシステムが開発された。回転機１と自転車タイヤ９７間の回転力の授受は多機能クラッチ２２の伝導具取付台３０にピニオン９３或いは駆動プロスケット１１１を取付けて伝導されるが、これは採用する方式によって異なるので、後述の
【実施例１】及び
【実施例２】で具体的に詳述する。
【作用】
【０００５】従来の電動アシスト自転車の課題について前述の問題点を敷延すれば、重量増大、ペダル走踏力の増加、電動機過負荷への注意、保守点検の繁雑化等であり、これ等の作用で自転車本来の軽快性が失われているといえる。
特に、エネルギー源の２次電池充電作業は、従来の自転車では全く要求されなかった事項であり、ユーザーの負担は大きい。これに反し、本発明の方式はその作用として軽量、ペダル足踏力は汎用自転車と同様、原動機の耐過負荷特性大、保守点検は基本的に不要、軽快性、軽便性は汎用自転車と同じで、いわゆる乗りっぱなしの使用が可、乗車前の充電不要等の大きな利点を生じている。
このように根本的に作用の相違がみられるのは、使用するエネルギーの形が異なるからである。エネルギーを利用する原動機の回転原理の相違で、発生する回転力の特性に大きな差異を生じる。例えば、電動機では低速回転が原動力に不適である。過負荷で回転が拘束されてしまうと、回転で生じる反抗起電力が零になってしまう結果、過大電流によって焼損する事があるからであり、低速回転時の回転力も大きく採れない。従って、通常採用されている電動機系の出力回転力を増大させる方法は歯車減速機を使って電動機自体を高速運転することである。しかし、減速機の減速比は一般に固定されているので、この系の速度制御には技術的困難性が潜在しているのである。
これに反し、圧縮空気、即ち高圧ガスをエネルギー源に用いた本発明の方式の原動機では、過負荷で停止させても原理的に全く損傷を受けない。これは蒸気機関車の機関をみれば諒承されることである。低速から高速までスムースに回転力が連結し、減速機の必要はなく、速度制御は極めて容易で又、その回転特性は負荷の重さに反比例して回転数が定まる追従性を有しているので使い易く、機構的に単純で丈夫である。即ち本発明の機関は、電動機のようにデリケートではなくラフな使用も耐える特性を有している。
特記すべきは、原動機供給エネルギーを走行中に得られることであり、更に何回にもわたってエネルギーを蓄積できることである。電動機のように前もって充電しておく必要が無いことが、本方式の自転車の軽便性に与えた作用は計り知れない。以上の有効な作用は本方式が原動機のエネルギー源として圧縮空気、即ち高圧ガスを使用したために生じたものである。
【実施例】
【０００６】
【実施例１】自転車のスポークタイヤ９７のリム９８には、等間隔にニップル孔を加工してあり、２２でニップル１００とスポーク１０１が結合されている。
この構造は、ニップル１００部分で大きなピン歯車が形成されているとみる事ができる。
【実施例１】では、この大きなピン歯車を回転機の回転力で直接駆動する方式を採用する事とし、まずこれに適合する小歯車、ピニオン９３の製作を検討した。
【図８】
はピニオン９３の外形を示す説明図である。ピニオン９３は傘形に加工されたクラウン９５の周囲に中心軸に対し等角度にピン歯先９４を植込んで傘形ピン歯車を構成したものである。傘形にした理由はリム９８内径の曲率と適合させるためであり、自転車に実装する場合、好適であるからである。
【図９】
は
【図８】
ピニオン９３とニップル１００との噛合せを示す説明図である。傘形のクラウン９５はリム９８の曲率と適合し、回転は円滑に行われる。ピン歯先９４の長さ、及び個数を適等に調整すれば、回転上の障害となる空気バルブ９９との接触を避けることができる。
【図１０】
は
【実施例１】の構成を示す説明図で、自転車への装着の一例を現わしたものである。但し、空気タンク等の図は省略した。ここでは進行方向左側後輪に本発明の構成を適用した。前述のごとく、回転機１の回転方向は自由にとれるので、後輪右側への搭載も可能であり、必要ならば前輪にも取付できる。但し、右側取付の場合には、多機能クラッチ２２のカム２８方向が反対になる。
【実施例１】による構成方法
【図７】
の系統図８５を適用する事により、回転機１、多機能クラッチ２２を直結し、ピニオン９３を伝導具取付台３０に固定したユニットを取付金具１０３でフレーム１０４に諦着したものである。このようにすると、補助動力の回転力がペダル駆動系回転力伝達経路とは無関係に外挿されたことになる。即ち、この方法によって現在稼働中の汎用自転車でも動力アシスト自転車に、誰にでも容易に変換できる事を意味するものである。従来、一般ユーザーが、自分の自転車に補助動力を独力で設置できる手段や原動機その他必要部品の入手可能な方法等は皆無であったのである。ここに極めて大きな経済効果が存在する。自転車のスポークタイヤの構造、寸法は世界共通であるから本発明の方式はあらゆる自転車に適用できると考えて良い。本発明の主要部品はキットとして一括購入可能で、ユーザーは容易に組み立て、取付けできるから、インターネットでも販売可能である。この様にユーザーがホビーとして自分の自転車をグレードアップする術を得られた事により、将来の自転車ライフに大きな変革をもたらすものと期待される。一方、ここで使用した回転機１は一般に電動機が定速度特性を示すのに対し、負荷の大小に応じてその回転数を変化させる追従型特性を有しているから、動力アシストの用途に最適の原動機といえる。これは、エネルギー源が高圧ガスであるための効果である。
【実施例２】
【図１１】
は、汎用自転車のペダル走行機構に適用した場合の動作説明図である。従来との構成上の相違は、後輪スプロケットを後輪車軸に直結したこと、およびペダルクランクとペダルプロスケットの間に一方向回転型クラッチを介在させたことである。これはペダル駆動力伝達系の中に補助駆動力を内挿したことに等しい。
【図１１】
でラチェットクラッチ１０８は、クランク１１２に固定されたケース１１９の回転軸に、これと軸の遊動するラチェットホイール１１３を配した構成で成り、駆動力伝達機構は、これに連結させたスプロケットシャフト１１８に固定されたペダルスプロケット１０７でチェーン１０９を介して後輪スプロケット１１０に伝える方式である。
ケース１１９に固定された支点軸１１６に嵌合した爪１１４、押バネ１１５の作用で、ラチェットホイール１１３はケース１１９の回転方向に対し図示回転方向のみの一方向回転となり、逆転できない。
この構造で、ラチェットホイール１１３の回転数をＮ５、ペダル１０６に結合したケース１１９の回転数をＮ４とすると、Ｎ５＞Ｎ４の範囲では回転機１の回転力でチェーン１０９が駆動され、ペダルｌ０６による足踏力はチェーン１０９に伝達できない。これは、爪１１４がラチェットホイール１１３に作用しないからである。Ｎ５＜Ｎ４の範囲では、ラチェットホイール１１３は爪１１４で作動されるから、ペダルの足踏力のみで走行することになる。しかし、以上の結果は原動機の特性を考慮に入れないための現象論であり、実際には、本発明の回転機１のエンジン動作時特性は負荷の重さが減少すると、それに反比例して回転数が増加する特性を有しているので、前記動力伝達系でペダル足踏力を増加すれば、その分だけ回転機の負荷が軽くなることになり、回転機１の回転数、即ちこれに関連したラチェットホイール１１３の回転数Ｎ５が急速に増加する結果、Ｎ５がＮ４に追従し実働状はＮ５≒Ｎ４の状態に、動力伝達系が速やかに応答する特性を現わすのである。もちろん、Ｎ５＝Ｎ４の場合が理想条件でこの時、ペダル足踏力も補助動力も無駄なく伝達でき、動力アシスト自転車としての能力も最高に発揮できる。
【実施例１】のごとく補助動力を外挿した場合もこの事情は全く同一である。原動機に電動機を使用した時は、小型電動桟が一般に定速特性のものが多い理由で、上述の応答性は得られず、補助動力としての動作適応性に不満が残る。本発明の補助動力システムが動力アシスト自転車に適応している理由は、エネルギー源として高圧ガスを使用している効果である。慣性走行等のエンジンブレーキモードでは、直接車軸に固定され、タイヤ回転力が直接駆動スプロケット１１１に回転力をおよぼす結果、回転機１のポンプ動作時の圧縮空気回収動作に不具合を生じない。
【効果】
【０００７】制動エネルギーを回収して走行エネルギーに活用しようとする本発明の構想は、ポンプ、エンジン２動作回転機の開発を基本として達成された。一般にエンジン、ポンプの類は構造複雑かつ高精度であり、価格的にも限界があった。これに反し、本発明の回転機は出来得る限り単純な構造を採用し、加工精度も精密さを必要とされないよう配慮した。例えば、ケースは薄肉パイプを切断加工したのみであり、接触運動部の気密保持については、寸法精度を向上して行うのではなく、押バネの圧着力を利用して行う等である。
従って、この回転機の価格効果は極めて高いものである。エンジン動作で電動機との性能上の比較は、電動力が過負荷運転に不向きで、過負荷回転力を受けて停止すると過大電流のため焼損の恐れがあることは常識的に知られている。このようなケースは自転車の補助動力用使用する限り不可避であり、走行中頻繁に生じる事態である。また、減速機でも同様で、過負荷時に歯車が欠損し易い。これに反し、本発明の回転機では過負荷で停止したままでも原理上、何の損傷も受けず、減速機の必要もない。従って苛酷な運用に最適な原動機といえるのである。
回転特性の比較は、小型電動機が一般に定速度特性を示すのに対し、本回転機は負荷の大小に応じて回転速度が変化する。負荷が大ならば低速度に、負荷が小ならば高速に、およそ負荷の大きさに反比例して増減する特性を示す。これは、自転車に実装した場合、誠に使い易い特性で、道路の状況に応じて自動的に追従して動作してくれる。以上のような原動機の性能上及び回転特性上の技術的効果は極めて大きく、本発明の成否を左右するものといってよい。次に、この回転機のタイヤ車軸への動力伝達方法、ポンプとエンジンの２動作切換えに必要な動作切換え弁及び多機能クラッチの開発が成され、次いで全体の動作を統合するシステムが確立された。自転車に本システムを実装する方法は主として、動力の外挿法と内挿法の２種類に大別されるが、
【実施例１】の外挿法が従来見られない方式であり、経済効果が大きい。
ユーザー自身が愛車の汎用自転車を動力アシスト車に自身で改造できるという、従来全く手段の無かった方法が確立された。ユーザーは以上のシステムと一括してキットとして入手できる。これは全地球的に可能な事である。自転車のスポークタイヤの構造、寸法が世界共通規格であるからであり、本発明の方式がこれ等に共通して適合する効果である。総合的にみて、本発明の動力アシスト自転車は【０００３】で設定した課題に全て解決したといえる。
ながら動力が貯えられるという感覚は従来の走りでは絶対に得られない快感であり、制動エネルギーを圧縮空気の型で回収した事の効果である。
【図面の簡単な説明】
【図１】：
【請求項２】
に係り、本発明で開発されたポンプ、エンジン兼用回転機の断面構造を示す動作説明図
【図２】
：２動作回転機の動作切換弁の断面構造を示す動作説明図
【図３】
：２動作回転機の出力調整用スロットルバルブの断面構造を示す動作説明図
【図４】
：２動作回転機のポンプ出力側逆止安全弁の断面構造を示す動作説明図
【図５】
：システムの動作タイミング調整クランクの外形図
【図６】
：
【請求項３】
に係り、本発明で開発された多機能クラッチの断面構造を示す動作説明図
【図７】
：
【請求項４】
に係り、本発明の実施に適用するシステムの系統図
【図８】
：
【実施例１】に関する傘形ピン歯車の外形図
【図９】
：
【実施例１】に関する傘形ピン歯車とスポークタイヤのニップルとの噛み合いを示す外形図
【図１０】
：
【請求項５】
に係り、
【実施例１】に関し、汎用自転車に外装した時の外形図
【図１１】
：
【請求項６】
に係り、
【実施例２】に関し自転車の動力伝達経路内に内装した場合の動作説明図
【符合の説明】
１：回転機  ２：ケース  ３：ローター  ４：シャフト  ５：ピストン  ６：ピストン  ７：押バネ  ８：押バネ  ９：ガイドプレート  １０：空気孔  １１：空気孔  １２：空気孔  １３：空気孔  １４：予圧室  １５：予圧室  １６：シール板  １７：シール板  １８：ピラー  １９：押バネ  ２０：側面板  ２１：側面板  ２２：多機能クラッチ  ２３：シャフト  ２４：アクティブリング  ２５：ポール  ２６：ドライブリング  ２７：ドライブピン  ２８：カム  ２９：押バネ  ３０：伝導具取付台  ３１：ボディ  ３２：スタンドオフ  ３３：受動ピン  ３４：固定板  ３５：フォーク  ３６：コントロールワイヤー  ３７：ワイヤースリーブ  ３８：円周溝  ３９：止めネジ  ４０：取付孔  ４１：動作切換弁  ４２：高圧空気導入孔  ４３：空気孔  ４４：空気孔  ４５：空気孔  ４６：高圧空気排出孔  ４７：シリンダー  ４８：スライダー  ４９：止めネジ  ５０：コントロールワイヤー  ５１：空気通路  ５２：空気通路  ５３：空気通路  ５４：スロットルバルブ  ５５：高圧空気孔  ５６：高圧空気孔  ５７：シリンダー  ５８：スライダー  ５９：止めネジ  ６０：スロットルワイヤー  ６１：空気通路  ６２：逆止安全弁  ６３：空気導入孔  ６４：空気放出孔  ６５：空気放出孔  ６６：ボール  ６７：押バネ  ６８：弁座  ６９：空気通路  ７０：ボール  ７１：弁座  ７２：押バネ  ７３：圧力調整ネジ  ７４：ケース  ７５：ケース  ７６：タイミング調整クランク  ７７：ワイヤー孔  ７８：スタンドオフ  ７９：ワイヤー孔  ８０：ワイヤー孔  ８１：ホルダー  ８２：ホルダー  ８３：ホルダー  ８４：アーム  ８５：系統図  ８６：ストッパー  ８７：ストッパー  ８８：ブレーキワイヤー  ８９：タイヤ駆動用伝導具  ９０：空気タンク  ９１：充気済空気タンク  ９２：高圧ガス発生機  ９３：ピニオン  ９４：ピン歯先  ９５：クラウン  ９６：タイヤの駆動  ９７：タイヤ  ９８：リム  ９９：空気バルブ  １００：ニップル  １０１：スポーク  １０２：自転車への装着  １０３：取付金具  １０４：フレーム  １０５：自転車の駆動  １０６：ペダル  １０７：ペダルプロスケット  １０８：ラチェットクラッチ  １０９：チェーン  １１０：後輪プロスケット  １１１：駆動プロスケット  １１２：クランク  １１３：ラチェットホイール  １１４：爪  １１５：押バネ  １１６：支点軸  １１７：クランクシャフト  １１８：プロスケットシャフト  １１９：ケース  １２０：取付ネジ  １２１：取付ネジ
【図１】
2005035502.tif 000003
【図２】
2005035502.tif 000004
【図３】
2005035502.tif 000005
【図４】
2005035502.tif 000006
【図５】
2005035502.tif 000007
【図６】
2005035502.tif 000008
【図７】
2005035502.tif 000009
【図８】
2005035502.tif 000010
【図９】
2005035502.tif 000011
【図１０】
2005035502.tif 000012
【図１１】
2005035502.tif 000013